钛合金锻件表面酸洗工艺试验研究

文/吕孝根，张海成，罗恒军，张富淇，唐庆·中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司 万志奇·中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院

钛及钛合金由于具有很高的强度和耐蚀性，已成为一种新兴的轻金属材料，并在国防军工、石油化工、制药领域及医疗器械、海水淡化装置等方面得到广泛应用。并且，因其具有比强度高、耐高温、导热率低、无毒、生物相容性好等一系列优点而被应用于航空、航天、建筑、体育用品等军用和民用领域。

Ti-6Al-4V 锻件经过喷砂工艺后，锻件表层硬化层较厚，给后续机加工造成困难。因此，在喷砂工序完成后，需通过酸洗将其硬化层去除，并按工艺要求去除壁厚以达到所需工艺要求。钛合金酸洗一般采用HF+HNO3，但由于其在酸液配比中所占比重较大，浓度较高，容易引发比较严重的二次问题。针对以上问题，研究在不同酸洗条件下的腐蚀及氢脆现象，分析影响因素及机理，并制定优化的热处理工艺，以减少氧化层及氢脆。

试验方案

将锻件进行吹砂处理后，采用线切割加工成所需试块，并标记0#～7#，分别对试样进行磨抛，去除切割造成的氧化层。对初始样品表面进行XRD 测试和显微硬度测试，确定表面相结构和硬化层深度。然后将其在不同配方的酸性溶液中进行腐蚀，分别恒温水浴15 分钟后取出试件，将其按照相同的工艺执行，测量酸洗后样品氢含量、失重率、表层相结构以及硬度变化。酸洗液配方见表1。

表1 锻件表面酸洗液配方

试验结果

酸洗后失重率

Ti-6Al-4V 锻件试样酸洗后，各试样表面形貌如图1 所示。

从图1 中可以看出，初始试样表面呈黑褐色，经酸洗后，表面都返现出金属光泽。7#样品表面呈现氮化后的彩色形貌。失重率测试结果见表2。

表面相结构变化

图1 Ti-6Al-4V 锻件试样酸洗后表面形貌

表2 酸洗后样品失重率统计

图2 Ti-6Al-4V 锻件样品酸洗后表面XRD 图谱

对酸洗前后Ti-6Al-4V 锻件试样表面相组成分别进行XRD 分析，结果如图2 所示。可以看出，1#～7#试样XRD 图谱较统一，表面α 相已经得到较好的去除。其中，4#和5#试样在40°左右的α相主峰降低明显，表面α 相清除比较彻底，而增大酸洗液浓度，未对α 相的进一步去除有质的提升。

酸洗后Ti-6Al-4V 氢含量变化

氢含量测定结果和对应的腐蚀液成分见表3。

从表中可以看出，除3#与7#样品外，其他试样中残余H 含量总体相差不大，4#和6#样品H 含量最低。HF 的含量高显著提高了Ti-6Al-4V 中氢的吸附，但HNO3含量的增大，又对氢具有脱吸附的作用。因此，4#和6#可作为最优酸洗备选配方。

酸洗后表面硬度变化

酸洗后试样的硬度变化汇总见表4。其中，所有样品表面皆在离散位置，选择5 处进行硬度测试，每两个点的距离远大于压痕对角线长度的2.5 倍。

从酸洗后硬度测试结果可以看出，0#初始试样表面硬度极高，但经过酸洗后，表面硬度显著降低。其中，1#试样表面硬度相对较高，因其酸洗液HF 含量较低，所以导致表面硬化层可能去除并不彻底。其他试样表面硬度都相差较小，考虑到硬度测试本身的误差，可以认为，其他试样表面硬化层都已经全部清除干净。

通过上述试验可知最优的酸洗液配方为：1%～ 3%HF+25%～30%HNO3，锻件经过该配方酸洗后，表面如图3 所示。

经测定酸洗后锻件表面硬化层0.058mm，氢含量0.002%，满足客户要求。

表3 酸洗后H 含量测试结果统计

表4 酸洗前后样品表面硬度值(HV0.5)

图3 酸洗后表面硬化层示意图

结束语

本文通过试验验证，在不同配比酸洗液清洗下，对Ti-6Al-4V 锻件表面硬化层去除的变化，找到了最优的酸洗液配方为1%～3%HF+25%～ 30%HNO3(酸洗条件为25℃室温，酸洗时间15min)，为后续此类锻件酸洗处理提供了有效的解决方案。

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